小底坡、低Fr数泄洪洞掺气坎体型优化研究

位于小底坡、低佛氏数泄洪洞上的掺气坎,其体型设计往往存在较大难度。为了查明小底坡、低佛氏数泄洪洞掺气坎体型优化设计的一般规律,采用大比尺的模型试验,对三维掺气坎进行了系统研究。小底坡上的掺气坎,可用过坎射流最高点至底板的距离Tmax和空腔回水作为其体型优化的主要目标,良好的掺气坎应使空腔回水最少时Tmax也较小。试验结果表明:Tmax的主要影响因素为平均坎高及掺气坎横断面的型式,平均坎高愈小,Tmax愈小;横断面为凸型的凸型坎,可以减弱出射水流横断面上水面线的凹形分布,能使Tmax相对较小;空腔回水的主要影响因素为平均坎高及坎高差,适当增加平均坎高及横向坎高差,对消除空腔回水有利;在小底坡掺气坎体型优化中,三维掺气坎较二维连续坎有明显的优势,特别是凸型坎,容易达到空腔回水少,同时Tmax也较小的优化目标。

底掺气坎对侧空腔长度的影响

侧空腔长度对射流挟气量及水流流态均有重要影响,采用3维数值模拟,分析了底部掺气坎尺寸对侧空腔长度的影响规律。结果表明,侧空腔长度及侧空腔形态受底部掺气坎的体型尺寸影响较大,随着底部掺气坎尺寸的增大,侧空腔长度增大,其主要原因在于底部掺气坎的尺寸会影响射流跌落至底板的位置,影响射流段动水压力的分布,从而影响射流的横向扩散速率。

掺气减蚀保护作用的新概念

利用针式掺气流速仪测量原型和模型掺气浓度场、流速场,气泡尺寸及其概率分布的研究成果表明,原型水流韦伯数高,形成微小气泡的能力比模型强,气泡上浮慢,接近底部的小尺寸气泡概率及掺气浓度比模型大。初步研究认为:0 2mm或0 5mm以下的微小气泡在掺气减蚀中起着主要作用,可能只要很小掺气浓度即可达到掺气减蚀的效果。因此以小尺寸气泡的掺气浓度,作为判断掺气减蚀保护作用的指标将更为准确。

泄洪洞反弧段下游侧墙掺气减蚀试验研究

龙抬头明流泄洪洞采用常规的底部掺气设施,容易在反弧末端下游附近侧墙处形成掺气盲区,从而导致该侧墙的空蚀破坏,反弧末端下游侧墙是龙抬头明流泄洪洞掺气减蚀设计的重点和难点。文中通过大比尺的模型试验,系统分析了侧墙贴角及边墙突扩两类反弧末端侧向掺气设施的水力掺气特性,试验表明,这两类侧向掺气设施均能有效消除反弧末端下游附近侧墙上的掺气盲区,达到减免侧墙空蚀的目的。

泄洪洞反弧末端掺气减蚀研究

对高水头、大单宽流量、低佛氏数、小底坡长明流泄洪洞,在反弧段末端采用常规的掺气坎往往难以取得理想的掺气效果,同时,反弧段下游边墙易出现空蚀破坏。本文在大比尺模型试验的基础上,提出了竖向、纵向及横向三维均连续变化的新型掺气坎,并对比分析了掺气坎三维体型的变化对掺气特性的影响。试验表明,空间三维连续变动的V型坎能使挑射水流形成连续变化的空腔长度,较二维掺气坎在上述特点的泄洪洞中能形成稳定的空腔形态、减小空腔回水并提高挟气量。试验同时表明,泄洪洞反弧末端掺气坎后空腔段水流动水压强小、水流空化数低,容易出现空化;同时,反弧段下游水流表面自掺气尚不够充分,底部强迫掺气尚未充分扩散,致使反弧段下游附近边墙存在较大范围的掺气盲区,从而容易导致反弧段下游边墙的空蚀破坏。

掺气减蚀研究的新方向

利用针式掺气流速仪测量掺气浓度场、流速场,气泡尺寸及其概率分布的研究成果表明,原型水流韦伯数高,形成微小气泡的能力比模型强,气泡上浮慢,接近底部的小尺寸气泡概率及掺气浓度比模型大.0.2mm或0.5mm以下的微小气泡可能在掺气减蚀中起着主要作用.完善掺气检测仪器,加强掺气水流中气泡尺寸及其概率分布的观测,比较不同气泡尺寸的掺气减蚀作用,建立多级气泡尺寸的掺气水流数学模型,是今后掺气减蚀研究的新方向.

龙抬头明流泄洪洞反弧段下游边墙防蚀探讨

大比尺的模型试验表明:龙抬头明流泄洪洞反弧末端掺气坎后空腔段水流动水压强小、水流空化数低,容易出现空化;同时,反弧段下游水流表面自掺气尚不够充分,底部强迫掺气尚未充分扩散,致使反弧段下游附近边墙存在较大范围的掺气盲区,从而容易导致反弧段下游边墙的空蚀破坏.最后对如何减小或消除该掺气盲区,提出了工程处理措施,可供设计参考.

泄洪洞侧墙的人工强迫掺气减蚀研究

采用常见的底部掺气设施时,反弧段下游附近边墙仍存在较大范围的掺气盲区,从而反弧段下游边墙容易产生空蚀破坏。利用反弧段上游掺气坎空腔进行人工强迫通气的试验表明,增加反弧段前掺气坎的掺气能力,虽能一定程度减小反弧段下游边墙的清水区范围,但难以将其完全消除。反弧段下游边墙清水区直接强迫通气的试验表明,通过边墙通气孔进入水流的气体扩散范围很小,且由于沿边墙高度各点动水压力不一样,很难保障沿边墙高度掺气的均匀性;同时,强迫通气所需的动力设备功率很大。因此,在实际工程中采用人工强迫通气减免反弧段下游侧墙的空蚀难度很大。

底部掺气设施水流掺气量的计算

掺气减蚀是高速水流泄水建筑物减免空蚀破坏的重要措施。为了有效地实现掺气减蚀,必须使通过掺气设施后的强迫掺气水流达到一定浓度的掺气量。利用本文提出的掺气坎射流轨迹的微分方程计算出了掺气空腔长度,并通过掺气坎供气系统的供气量与水流掺气量的平衡,给出了一种通过计算掺气坎射流空腔负压来确定水流掺气量的计算方法。计算结果与试验结果吻合良好。利用该方法,可对通风系统和掺气坎的设计体型进行初步验算,以判别掺气设施能否满足掺气减蚀要求。

高水头大流量泄洪建筑物的泄洪安全研究

随着我国在建和待建的高坝泄水建筑物所涉及的水流流速愈来愈大,高速水流问题的影响日益突出,直接关系到枢纽的安全运行。基于国内外对高水头大流量泄洪建筑物的泄洪安全研究,以金沙江下游梯级向家坝、溪洛渡、白鹤滩以及乌东德等特大型水利水电工程中存在的高水头大流量泄流建筑物安全关键技术难题为背景,总结并探讨了适应我国特大型水利水电工程水头高、流量大、河谷狭窄等特点的泄流建筑物安全新技术,为解决消能防冲、掺气减蚀、泄洪雾化、高流速条件下的新型抗冲耐磨材料、泄流结构灾变及其诊断和预警等系列性关键问题,提高我国高水头大流量水利水电工程泄流建筑物的安全性,提供了重要参考。

二滩水电站1号泄洪洞水力特性与掺气减蚀的三维数值模拟

基于VOF法和k-ε紊流模型,对二滩1#泄洪洞进行了全流道三维数值模拟计算,获得了泄洪洞的流场及速度场、压力分布、水相分布及空腔、流速矢量等水力特征参数。计算结果表明:在原有体型通气孔侧墙部位,水流掺气不充分,出现局部负压,是造成该部位发生空蚀破坏的主要原因。本文所采用的数值模拟模型计算可以成为研究泄洪洞水力特征和掺气减蚀的一种方法。

高水头泄水建筑物的掺气减蚀试验

通过模型试验，对某高水头泄水建筑物进行了深入的试验研究，提出采用掺气减蚀方案，并为该工程选择了合理型式、尺寸的掺气坎，并提出了合理的建议。

掺气设施后水流的挟气量规律研究

掺气减蚀是在高速水流情况下减免泄水建筑物空蚀破坏的一项重要措施,而挟气量是衡量掺气设施效果的指标之一。在某电站泄洪洞原型观测试验的基础上,进行三维数值模拟,将原型观测与数值模型数据相结合,进而建立更加完备的试验数据体系,通过数据分析,并综合利用其他原型观测资料进行规律性探索,得出掺气设施后水流的挟气量与空腔长度、腔内负压以及来流紊动强度等因素的经验公式。

渥奇面上掺气挑坎布设位置的探讨

渥奇面上设掺气挑坎,流速大时可能发生散水现象,强烈散水会对泄洪建筑物产生不利影响,应尽可能避免。经试验研究发现散水现象的强弱与掺气挑坎布设于渥奇面上的位置有关,布于下游明显弱于上游。主要原因是加设挑坎后,边界变化的剧烈程度不同,上游边界变化更为剧烈。实际布置中,在合理保护范围内,在不发生散水等不良水力现象的基础上,应将掺气挑坎尽量往上游布置,目的是增大保护范围,提高安全性能。

缓底坡、低Fr明渠掺气设施水力特性试验

针对传统的低弗劳德数、缓底坡明渠遇高水头大流量水流时存在空化空蚀的风险,提出一种布置于有压进口处的新型楔形掺气减蚀设施。通过模型试验,对该楔形掺气设施后的空腔形态、掺气浓度进行了测量。结果表明,采用这种新的掺气设施可以产生稳定的掺气空腔,明渠水体掺气效果明显,并能较快发展至底板,从而对明渠起到掺气保护作用。

某泄水建筑物底孔掺气减蚀措施优化试验研究

某工程泄水建筑物出口明槽段存在高流速、低空化数、低弗劳德数等较严重的空蚀问题。鉴于底孔原方案出口明槽段估算空化数较小,主要对出口明槽段减蚀方案进行了对比研究,并通过单体模型试验论证,结合工作弧门特殊的水封型式,提出了突扩突跌的掺气体形,通过优化试验研究和实践应用,较好地解决了明槽段的空蚀问题。

龙抬头泄洪洞反弧段空化空蚀研究综述

根据国内外大量的工程实例,在前人研究的基础上,系统总结了龙抬头泄洪洞反弧段空化特性和空蚀成因,分析了反弧段掺气减蚀和抗蚀体型的现有成果。体型优化和掺气设施研究,数值试验具有花费少、适应能力强、提供的流场资料详细、便利方案选择等优点。

水力式升船机泄水阀门掺气减蚀措施

针对某水力式升船机调试阶段出现的输水阀门空化和振动问题,通过比尺为1∶10.667的阀门段常压及减压恒定流水力学物理模型,对水力式升船机高水头泄水阀门流量系数、阀后空化形态及特性进行了研究,在此基础上提出掺气减免泄水阀门段空化的工程措施。通过减压试验验证每只阀门掺气量0.1 m^3/s后,阀门段空化噪声基本消除、振动下降明显,掺气措施减免和抑制空化效果显著。

渥奇面上掺气挑坎位置的试验与数值计算分析

采用了紊流模型对设掺气挑坎的渥奇面流场进行了计算,并通过试验验证,发现该模型可较精确地模拟挑流流场和掺气空腔.同时结合试验资料,对掺气挑坎的布设位置进行了研究,得出了相同体型和水力条件下挑坎布于渥奇段下游优于上游的结论,前者流态稳定,散水减弱,下游掺气较佳,可成功解决渥奇段下接高速水流区的掺气减蚀问题,该模型和位置优化结果对掺气挑坎设计选型及布置有指导意义.

龙抬头泄洪洞反弧段空化空蚀研究进展

根据国内外大量的工程实例,在前人研究的基础上,系统总结了龙抬头泄洪洞反弧段空化特性和空蚀成因,同时对反弧段的掺气减蚀和反弧段抗蚀体型的现有成果进行了综述,指出关于体型优化和掺气设施研究,数值实验具有花费少、适应能力强、提供的流场资料详细、便利方案选择等优点。